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NREL推全新三五族太阳能制程,砷化镓制造速度加快20倍

超过50年历史的制造技术再进化后,科学家们得出超越过去、超级亮眼的成果。最近美国国家再生能源实验室(NREL)改良过去半导体材料磊晶制程,除了将砷化镓制造速度提高20倍,也研制出转换效率达25%的太阳能板,更有机会将三五族(III-V)太阳能成本降至每瓦0.2...  

超过 50 年历史的制造技术再进化后,科学家们得出超越过去、超级亮眼的成果。最近美国国家再生能源实验室 (NREL)改良过去半导体材料磊晶制程,除了将砷化镓制造速度提高 20 倍,也研制出转换效率达 25% 的太阳能板,更有机会将三五族(III-V)太阳能成本降至每瓦 0.2 到 0.8 美元。

三五族化合物半导体是由元素周期表中三族的铝、镓、铟及五族的氮、磷、砷等元素所构成,由于优异的光电特性,常用于 LED、通讯与太阳能,像是磷化铟镓、砷化镓等便是太阳能领域的佼佼者,最高转换效率已突破 43.5%,然而三五族太阳能成本高、制程难,我们只能在卫星、无人机等利基市场上看到它们的身影。

其中有机金属气相磊晶(MOVPE)是常见的太阳能电池制程,透过有机金属气体在基板上成长半导体薄膜。而 MOVPE 关键设备为反应室,首先芯片会在里面被加热到 1,000°C以上,之后透过载体气流将金属有机物输送进反应室,金属有机物遇到高温产生反应后沉积,形成晶体,过程快速且允许大量制作。

只不过参数不易控制,难以精准调整有机金属气体分子喷出来的量,因此磊晶过程相当耗时,生长速度大约每小时 15 微米。对此 NREL 决定换一种方法试试,他们改良 50 年历史的氢化物气相磊晶法(HVPE),该技术是用金属催化的方式成长晶型,磊晶速度较快,NREL 科学家开发出设有两个反应室的 HVPE 机台,用两个反应室进行不同的化学沉积,并称之为动态氢化物气相磊晶法(D-HVPE)。

与 MOVPE 制程相比,D-HVPE 能以每小时 320 微米的速度生长砷化镓半导体层,以及每小时 206 微米速度生长的磷化铟镓,速度最快提高 20 倍,除此之外,也可以省下许多化学反应所需的昂贵前体材料。

目前团队已经透过 D-HVPE 技术制造出转换效率达 25% 的太阳能电池,预计能再将效率提高至 27%,并放眼超越 MOVPE 的 29%。NREL 科学家 Kevin Schulte 表示,为了达成目标,团队还要持续改良。

NREL 战略能源分析中心 Kelsey Horowitz 表示,随着进一步最佳化技术和商业化量产,三五族太阳能电池的制造成本有望降至每瓦 0.2 到 0.8 美元。

该团队希望能研发出制造速度大为提高,太阳能效率也相同,甚至超越过去的技术,过去 MOVPE 技术在 1970 年时取代 HVPE,未来说不定某天,新一代的 D-HVPE 能超越 MOVPE 制程。目前研究已发表在《Nature Communications》。

  • NREL Brings Promising High-Efficiency Solar Cell Down to Earth
  • Another step toward affordable III-V solar cells
  • NREL develops dual-chamber dynamic HVPE, targeting III-Vs solar cells at $0.20-0.80 per watt

今天刊登了《NREL推全新三五族太阳能制程,砷化镓制造速度加快20倍》一文


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